Akku-Grundlagen: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 11. September 2012, 21:54 Uhr

In diesem Artikel wird versucht, einen Einstieg in die etwas unübersichtliche Welt der Akkus zu geben. Bei der Leserin und dem Leser werden dabei Grundbegriffe der Elektrotechnik vorausgesetzt.

Was ist eigentlich ein Akku?

Ein Akku (kurz für "Akkumulator") ist ein wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher. Beim Laden wird die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, beim Entladen wird aus der Chemie wieder Elektrik. Einmal laden und wieder entladen ist ein "Zyklus", und Akkus halten je nach Art und Behandlung 100 bis ca. 1000 Zyklen.

Eine Batterie ("Primärzelle") hingegen wandelt zwar beim Entladen auch chemische in elektrische Energie um, läßt sich aber nicht wieder aufladen, muß also nach Entnahme der Energie weggeworfen (bzw zu einer entsprechenden Sammelstelle gebracht) werden.

Akkus verwendet man einerseits, weil sie auf Dauer kostengünstiger sind als Batterien, andererseits, weil sie höhere Ströme abgeben können als Batterien (Nickel- und Lithium-Akkus) oder weil sie bei gleicher Energiemenge kleiner und leichter sind als Batterien (Lithium-Akkus).

Grundbegriffe

Zelle/Pack

Eine Zelle ist die kleinste Einheit eines Akkus. Da die Spannung einer einzelnen Zelle bei den meisten Akkutypen nicht für den praktischen Einsatz reicht (z.B. 1,2V bei Ni*-Akkus), werden mehrere Zellen zu einem "Pack" in Reihe geschaltet. Die Gesamtspannung ergibt sich dann aus der Anzahl der Zellen mal der Zellenspannung: ein Pack aus 6 NiMH-Zellen hat eine Nennspannung von 7,2V.

Kapazität

Die Kapazität eines Akkus wird in Ah (Ampere-Stunden) oder mAh (Milliampere-Stunden) angegeben. Sie besagt, wie lange der Akku den entsprechenden Strom liefern kann: Ein Akku mit 2Ah (=2000mAh) kann also ein Gerät, das 200mA Strom aufnimmt, 10 Stunden lang betreiben.

Dabei ist zu beachten, daß bei höheren Strömen i.A. weniger Kapazität entnommen werden kann als bei niedrigeren Strömen (besonders ausgeprägt ist dies bei Bleiakkus), und daß die Hersteller die Kapazität für verschiedene Entladedauern bzw. Stromstärken angeben. Ein Akku, der mit 2Ah bei einem Strom von 1A angegeben ist, sollte also diesen Strom wirklich 2 Stunden lang liefern können, während dies bei einem Akku, der mit 2Ah bei 100mA angegeben ist, nicht so sein muß.

"C"

"C" ist derjenige Strom, der der Kapazität dividiert durch eine Stunde entspricht; diese Angabe wird oft für Lade- und Entladeströme verwendet.

Wenn für einen 2000mAh-Akku angegeben ist, er könne mit 5C entladen und mit 2C geladen werden, ist C = 2000mAh/1h = 2A, er kann also mit (bis zu) 10A entladen und mit (bis zu) 4A geladen werden.

Spannungen

Die "Nennspannung" eines Akkus ist eine nominelle Angabe, in Wirklichkeit liegt die Spannung eines vollgeladenen Akkus deutlich darüber, gegen Ende der Entladung deutlich darunter.

Die Entladeschlußspannung ist diejenige Spannung, unter die man den Akku nicht entladen sollte; einerseits würde durch ein weiteres Entladen kaum mehr Kapazität gewonnen, andererseits können Blei- und Lithiumakkus bei Unterschreiten der angegebenen Entladeschlußspannung Schaden nehmen.

Eine sehr einfache und billige Möglichkeit, eine Unterschreitung der Entladeschlussspannung auszuwerten findet sich unter Einfache Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige.

Die Ladeschlußspannung wiederum ist diejenige Spannung, die man beim Laden des Akkus nicht überschreiten sollte; sie ist nicht bei allen Akkutypen relevant.

Innenwiderstand

Der Innenwiderstand ist der (theoretische) elektrische Widerstand im Inneren eines Akkus. Bei einem Akku mit hohem Innenwiderstand sinkt bei hoher Stromentnahme die Spannung stärker als bei einem Akku mit niedrigerem Innenwiderstand. Wenn man z.B. an einem Akku mit 40mOhm Innenwiderstand einen uC mit einer LED betreibt, die zusammen 40mA brauchen, wird die Spannung um 1,6mV sinken. Bei Betrieb eines Motors mit 10A Stromaufnahme hingegen sinkt die Klemmenspannung am Akku schon um 0,4V.

Arten von Akkus

Für die Robotik sind folgende Arten von Akkus relevant:

NiCd (Nickel-Cadmium)

NiCd-Akkus sind die "älteste" Energiequelle der Modellbauszene und dort auch immer noch im Einsatz, da sie sehr hohe Ströme (zig Ampere) liefern können. Wo diese hohen Ströme nicht notwendig sind, sind sie wegen geringerer Kapazität und wegen des verwendeten Schwermetalls Cadmium von NiMH abgelöst worden.

NiCd-Zellen kommen in den üblichen Batterie-Baugrößen (AA, AAA, C, D...) vor, im Modellbaubereich aber auch in diversen anderen zylindrischen Bauformen, aus denen sich Packs in verschiedenen Formen zusammenstellen lassen.

Die Nennspannung bei NiCd-Akkus beträgt 1,2V, die Entladeschlußspannung üblicherweise 0,9V-1,0V. Als Ladeverfahren kommt zeitgesteuertes Laden, temperaturgesteuertes Laden oder das -dU-Verfahren zum Einsatz.

NiMH (Nickel-Metallhydrid)

NiMH-Akkus sind die Nachfolger der NiCd-Akkus und haben diese, wenn es nicht um extreme Hochstromanwendungen geht, ersetzt. Sie haben bei gleicher Baugröße etwa die doppelte Kapazität und kommen ohne das schädliche Cadmium aus. Auch NiMH-Akkus liefern recht hohe Ströme und weisen einen deutlich geringeren Innenwiderstand als gleichgroße Batterien auf.

NiMH-Akkus kommen in denselben Bauformen wie NiCd-Akkus vor, auch Nenn- und Entladeschlußspannung sind identisch. Allerdings sind die NiMH Akkus empfindlicher als NiCd gegen Überladen. Die Ladeverfahren sind wie bei NiCd, aber die Abschaltung sollte etwas früher erfolgen und muss in der Regel empfindlicher sein. Ein Ladegerät für NiMH Akkus kann in aller Regel ohne Probleme auch für NiCd Akkus genutzt werden, andersherum besteht aber die Gefahr einer reduzierten Lebensdauer.

Blei-Akkus

Blei-Akkus basieren auf Blei und Schwefelsäure, sind recht schwer, dafür aber preisgünstig, einfach zu laden und (je nach Ausführung) sehr hochstromfähig, bis zu vielen hundert Ampere in Starterbatterien für Autos.

Es existieren verschiedene Arten von Bleiakkus, im wesentlichen reduziert sich das in der Praxis aber auf solche mit flüssigem Elektrolyten (wie die klassische Autobatterie), die man naheliegenderweise nur stehend betreiben sollte, und solche mit Gel-Elektrolyten ("Blei-Gel", "AGM", ...), die lageunabhängig zu betreiben sind. Bei den Akkus mit flüssigem Elektrolyten gibt es noch die Unterscheidung in "Wartungsfrei" und "nicht Wartungsfrei", bei den nicht-wartungsfreien kann man (destilliertes/entmineralisiertes) Wasser nachfüllen, wenn sich der Flüssigkeitsstand wegen Überladung reduziert hat.

Bleiakkus werden im wesentlichen in Quaderform gebaut und kommen (jedenfalls im für uns relevanten Bereich) nicht als Einzelzellen vor, sondern nur als Pack; allerdings heißt das "Pack" bei Bleiakkus "Batterie".

Die Nennspannung pro Zelle beträgt 2V, die Entladeschlußspannung um die 1,8V und die Ladeschlußspannung je nach Bauart bis 2,4V. Als Ladeverfahren wird spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet ("CCCV").

Kapazitäten bei Blei-Akkus werden oft auf Basis einer zwanzigstündigen Entladedauer angegeben, bei einer Entladung mit höheren Strömen steht dann deutlich weniger Kapazität zur Verfügung ("Peukert-Effekt").

LiIon (Lithium-Ionen) und LiPo (Lithium-Polymer)

Lithium-basierte Akkus sind in den letzten Jahren marktreif geworden und aus der Welt der Handys und Notebooks nicht mehr wegzudenken. Sie bieten, sowohl nach Gewicht als auch nach Volumen, die höchste Energiedichte aller Akkutypen, sind hochstromfähig und daher besonders bei Modellfliegern sehr beliebt.

Lithium-Akkus werden in allen möglichen Bauformen angeboten, von zylindrischen Zellen (allerdings nicht in den üblichen Batteriegrößen) bis zu flachen, tütenförmigen Formen. Im Modellbauhandel erhält man sowohl Einzelzellen wie fertige Packs.

Lithium-Akkus (ausgenommen die neuen LiFePo-Akkus) sind recht empfindlich, was Über- und Unterschreiten der Spannungsgrenzen, Überschreiten der spezifizierten Lade- und Entladeströme und mechanische Beschädigung angeht; sie können brennen und sogar explodieren. Da gerade die Ladeschlußspannungen auf wenige Millivolt exakt eingehalten werden müssen, ist beim Laden von Packs ein sog. "Balancer" sehr empfehlenswert, der die Spannungen der einzelnen Zellen im Pack überwacht.

Die Nennspannung von Lithium-Akkus liegt je nach Untertyp bei 3,6V-3,7V, die Ladeschlußspannung bei 4,1V-4,2V und die Entladeschlußspannung bei um die 3V. Als Ladeverfahren wird spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet.

Ladeverfahren

Zeitgesteuertes Laden

Das zeitgesteuerte Laden ist die primitivste Art, einen Akku zu laden, es kommt vor allem bei billigen "Ladegeräten" für Ni*-Akkus zum Einsatz.

Bei diesem Verfahren wird die Kapazität des Akkus durch den Ladestrom dividiert, ein Faktor für die Ladeverluste dazumultipliziert, und daraus ergibt sich die Zeit, in der der Akku voll sein sollte und das Ladegerät abschaltet oder (Geiz ist geil!) der Benutzer es abstecken sollte.

Am weitesten verbreitet ist dabei das "C/10"-Laden: ein Akku mit 2000mAh würde also mit 200mA geladen, und zwar für 14 Stunden (der o.g. Faktor wird im Allgemeinen mit 1,4 angesetzt). C/10 wird deshalb verwendet, weil NiCd-Akkus ein Überladen mit diesem Strom meistens endlos überstehen; bei NiMh-Akkus ist das nicht unbedingt der Fall.

Das Problem bei diesem Ladeverfahren ist, daß es davon ausgeht, daß der Akku erstens bei Ladebeginn leer ist und zweitens eine bekannte Kapazität hat, was bei älteren Akkus nicht der Fall ist. Das Risiko, den Akku zu überladen und dadurch zu schädigen, ist also hoch.

Temperaturgesteuertes Laden

Das temperaturgesteuerte Laden wird für Ni*-Akkus verwendet und basiert auf dem Umstand, daß am Ende des Ladevorganges die in den Akku eingespeiste Energie nicht mehr chemisch umgewandelt, sondern zu Hitze wird; die Temperaturerhöhung wird gemessen und bei Überschreiten eines Schwellwertes wird der Ladevorgang beendet.

Dieses Ladeverfahren funktioniert bei mittleren bis hohen Ladeströmen prinzipiell zuverlässig und kann auch mit wechselnden Ladezuständen und Kapazitäten umgehen, es muß allerdings gewährleistet sein, daß der Temperaturfühler guten Kontakt zu den Zellen hat und die Temperatur nicht z.B. durch Luftzug verfälscht wird. Am besten funktioniert das Verfahren mit Akkupacks, in denen ein Fühler eingebaut ist, etwa in den Packs mancher Akkuschrauber.

-dU

Das "-dU"-Verfahren wird für Ni*-Akkus verwendet und macht sich den Umstand zunutze, daß die Spannung eines Akkus gegen Ende des Ladens erst ansteigt, um dann wieder zurückzugehen; dieses Zurückgehen ist das "negative Delta U", nach dem das Verfahren benannt ist und das erkannt werden muß.

Dieses Verfahren funktioniert bei unterschiedlichen Ladezuständen und Kapazitäten und ist State of the Art bei hochwertigen Ladegeräten.

Problematisch bei -dU ist der Umstand, daß die Spannungsspitze bei NiMH-Akkus recht gering ausfällt, insbesondere bei niedrigen Ladeströmen (<C/2); das Laden von NiMH-Akkus in älteren Ladegeräten, die für NiCd ausgelegt sind, wird daher nicht immer zuverlässig beendet. Auch das Laden von Akkupacks ist um so problematischer, je mehr Zellen diese beinhalten und je unterschiedlicher die Kapazitäten dieser Zellen sind: wenn die Zellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten vollgeladen sind, "verschleift" sich die Spannungsspitze u.U. so, daß sie nicht mehr erkannt wird.

CCCV/Spannungsbegrenztes Konstantstromladen

Für Lithium- und Bleiakkus kommt dieses Verfahren zum Einsatz. Es hat zwei Parameter: den max. Ladestrom und die Ladeschlußspannung.

Zu Beginn des Ladevorganges liegt die Akkuspannung unterhalb der Ladeschlußspannung, es wird mit dem maximalen Ladestrom geladen. Bei Erreichen der Ladeschlußspannung wird der Strom sukzessive reduziert, um den Akku genau auf der Ladeschlußspannung zu halten, fällt der Strom dann unter einen Mindestwert, ist der Ladevorgang beendet.

Wesentlich bei diesem Ladeverfahren ist die korrekte Ladeschlußspannung: bei Lithium-Akkus ist sie von der konkreten Bauart abhängig und muß auf wenige mV genau eingehalten werden, bei Bleiakkus ist sie von der Bauart und der Temperatur abhängig, dafür nicht so exakt einzuhalten.

Wirtschaftliche Betrachtung

Die Auswahl eines Akkus wird oft nach technischen Anforderungen vorgenommen. Daneben darf auch die Wirtschaftliche Betrachtung nicht fehlen. Wenn aus technischer Sicht verschiedene Typen möglich sind, muß die Auswahl nach wirtschaftlichen Kriterien erfolgen. Dazu werden aus dem Datenblatt die entsprechenden Werte wie die möglichen Ladezyklen, auch bei Teilentladung, die tatsächliche Kapazität bei der Stromentnahme im konkreten Anwendungsfall und weiteres entnommen. Daraus und aus den Kosten für den Akku lassen sich die Kosten pro kWh errechnen. Bleiakkus erreichen hierbei Werte im Bereich von 0.5 bis 1€ pro kWh. NIMH Akkus liegen um 1€ und darüber. Die beliebten Lipos liegen meist über 5€ pro kWh. Anhand einer solchen Rechnung wird schnell klar, daß das Technisch beste nicht gleichzeitig das Wirtschaftlichste ist.

--Cmock 03:27, 31. Aug 2009 (CEST)